JP3530139B2 - ボンディングパラメータを測定するための圧電センサ - Google Patents

ボンディングパラメータを測定するための圧電センサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路内の素子
のボンディング時の衝撃力、超音波振幅およびボンディ
ング時間のようなボンディングパラメータを測定するた
めの圧電センサに関する。本発明はまたこのようなセン
サを含む超音波ボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ電子製品および集積回路の製造
において、ボンディングとは、金属ボンディングワイヤ
（たとえば、アルミニウム、金または銅）による２個の
コンポーネント間（たとえば、集積回路コンポーネント
と印刷回路板との間）の電気的な接続を形成する機械的
なプロセスである。ボンディングプロセスは一般に２段
階で行われる。第１の段階で、超音波ボンディング装置
がコンタクトパッド上にタッチダウンし、ボンディング
ワイヤを予備変形する。その後、第２の段階で、超音波
エネルギのバーストがボンディング装置により供給され
る。この第２の段階で、ボンディング装置は振動され、
そのツールによりワイヤと共に動き始め、表面上のボン
ディングを妨害する酸化物層（存在するならば）を除去
する。その後、超音波エネルギの吸収後および圧力によ
りワイヤが変形され、金属結合部がワイヤとパッドの中
間面に形成される。
【０００３】これらの両段階において、監視されなけれ
ばならないパラメータが存在する。第１の段階では、ボ
ンディングの品質保証のために衝撃力およびそれに後続
するワイヤに与えられる力を測定および監視する必要が
ある。第２の段階では、超音波バーストの振幅およびそ
の持続期間（ボンディング時間として知られている）の
両者はボンディングの品質に著しい影響を及ぼし、した
がってそれらはまた監視されなければならない。要求さ
れる品質を保証することのできるこれらボンディングパ
ラメータの最適化された範囲は一般に、異なるタイプの
ボンディング装置のそれぞれに対して決定される。しか
しながら、パラメータが確実にこの範囲内であるように
するために、それらは常に監視されていなければならな
い。
【０００４】米国特許第 4,854,494号明細書には、超音
波コンセントレータに取付けられた圧電センサを使用し
て超音波振幅を測定することにより、またワイヤひずみ
ゲージを使用してボンディング面を監視することにより
ボンディングパラメータを監視する方法が記載されてい
る。しかしながら、この設計では、ボンディングパラメ
ータを監視するために２つの別々のセンサが要求され
る。
【０００５】米国特許第 4,040,885号明細書には、自由
に振動している（すなわち、負荷のない）状態と、ボン
ディング動作中のボンディングツールの振動振幅を比較
することにより超音波ボンディングシステムのボンディ
ング品質を非破壊的に監視する装置が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ある
ボンディング装置から別のものに容易に移行することが
できるように超音波ボンディング装置の一体部分として
形成されることのできる、ボンディングパラメータを測
定する簡単な装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によると、超音波
ボンディング動作時のボンディングパラメータを測定す
るセンサが提供され、そのセンサは超音波ボンディング
装置の超音波トランスデューサに隣接して配置された圧
電材料を含み、少なくとも１つの第１のボンディングパ
ラメータを感知する第１の出力と、少なくとも１つの第
２のボンディングパラメータを感知する第２の出力とを
有している。
【０００８】これによって、多数のボンディングパラメ
ータを同時に測定するために使用されることのできる単
一のセンサが提供されることができる。さらに、センサ
を超音波トランスデューサに隣接して配置することによ
り、センサは、それがボンディング装置と共にあるボン
ディング装置から別のものに移行されるようにボンディ
ング装置と一体に形成されてもよい。さらに、異なった
パラメータに対する異なった信号出力を設けることによ
って、出力の信号応答特性が測定されている異なったパ
ラメータに最適化されてもよい。
【０００９】本発明においては、第１の出力は衝撃力を
感知し、第２の出力は超音波振幅およびボンディング時
間を感知する。第１の出力は１対の電極を含み、その電
極は、ボンディングツールの運動方向に沿った与えられ
る衝撃力の方向に平行な方向に方位付けされている。第
２の出力は、与えられる衝撃力の方向に対して横断方向
に方位付けられた１対の電極を含んでいる。
【００１０】電極は一片の圧電材料に設けられてもよ
い。この圧電材料片は形状がほぼ環状であり、電極は圧
電材料のまわりに９０°の間隔で配置されることができ
る。しかしながら、たとえば正方形または長方形等の別
の形状の圧電材料もまた可能である。
【００１１】第１および第２の出力から出力された信号
を処理する信号処理手段が設けられていることが好まし
く、この処理手段は、２つの信号を分離する手段を含ん
でいる。信号処理手段は、第１の信号出力から出力され
た信号のためにローパスフィルタを含み、第２の信号出
力から出力された信号のためにハイパスフィルタおよび
高調波フィルタ手段を含んでいてもよい。信号処理手段
はまた信号増幅手段を含んでいてもよい。
【００１２】本発明はまた、このようなセンサを含むボ
ンディング装置に関するものであり、したがって別の広
い観点から、本発明は超音波トランスデューサと、超音
波コンセントレータとを含む超音波ボンディング装置を
提供し、この装置はさらに前記トランスデューサに隣接
して配置された圧電材料を含むセンサを含み、このセン
サが少なくとも１つの第１のボンディングパラメータを
感知する第１の出力と、少なくとも１つの第２のボンデ
ィングパラメータを感知する第２の出力とを有している
ことも理解されるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して例示によって説明する。はじめに図１を参
照すると、本発明の好ましい実施形態によるセンサ5 を
含む超音波ボンディング装置が示されている。ボンディ
ング装置9 は取付けフランジ1 、超音波トランスデュー
サ2 、超音波コンセントレータ3 、および形態が毛髪状
または楔状であってもよいボンディングツール4 を備え
ている。超音波トランスデューサ2 は、圧電ランジュヴ
ァン型のサンドイッチトランスデューサであってよい
が、技術的に知られている任意の適切なトランスデュー
サが使用されることができる。トランスデューサ2 は超
音波周波数で振動を発生させるために使用され、その後
この超音波周波数は、ボンディングツール4 を駆動する
前にコンセントレータ3 により増幅される。上述したよ
うなボンディング装置は通常のものである。
【００１４】しかしながら、本発明のこの実施形態にお
いて、センサ5 はボンディング装置9 の一体部分として
形成され、トランスデューサ2 とコンセントレータ3 と
の間に配置されている。ボンディング装置9 を使用する
時、図２に示されているように、トランスデューサ2 は
超音波信号発生器10から入力を受信し、一方センサ5
（以下さらに詳細に説明する）からの出力は、以下に説
明するようにして最初に増幅器11a ，11b （図２では単
一の増幅器11として示されている）ならびにローパスお
よびハイパスフィルタ12，13にそれぞれ供給され、その
後さらに増幅器15，16を通過した後にコンピュータ14に
供給される。以下説明するように、センサ5 からの出力
は、臨界ボンディングパラメータを監視し、制御フィー
ドバック信号を超音波信号発生器10に供給するために使
用されることができる。とくに、コンピュータ14は、各
ボンディングパラメータに対して許容可能な範囲の値を
記憶し、測定されたボンディングパラメータとこれらの
範囲の値とを比較する手段を備えていてもよい。測定さ
れたパラメータが許容可能な範囲の値と異なっている場
合、それらを範囲内に戻すために制御フィードバック信
号が発生されることができる。
【００１５】図３に示されているように、センサ5 は圧
電材料のリング（任意の適切な圧電材料が使用されるこ
とができる）を含んでおり、このリングには、２対の電
極20，21が任意の適切な手段（たとえば、共焼成、電気
めっき、スパッタリング、蒸着、電気・化学的付着）に
よって取付けられている。第１の対の電極20は、それら
がボンディングツール4 に平行なライン上に位置するよ
うに垂直に取付けられている。第２の対の電極21は水平
に、すなわちボンディングツール4 に対して横断方向に
取付けられている。センサの反対側には共通の接地面が
設けられており、電極対20，21のそれぞれから出力信号
が得られる。図４は第１の垂直な１対の電極20からの典
型的な出力信号を示し、一方図５は第２の水平な１対の
電極21からの典型的な出力信号を示している。
【００１６】２対の電極20，21は、異なったパラメータ
を感知するために使用される。垂直な対20は衝撃力を感
知するために使用される。これらの電極は、それらがボ
ンディングツール4 と垂直に整列されるため、コンタク
トパッドにボンディングされるべきワイヤとのボンディ
ングツール4 との接触によって生じたボンディング装置
9 の屈曲モーメントに対して良好に応答する。図４はこ
れらの電極からの典型的な出力を示しており、この出力
は対の２つの電極20の上方または下方のいずれかから得
られる。第２の水平に配置された電極対21は超音波振幅
およびボンディング時間を測定するために使用される。
【００１７】図４は、第１の電極対20の典型的な出力を
示す。ボンディングツール4 がワイヤに接触し、コンタ
クトパッドに対するワイヤの変形が始まるとすぐに信号
が検出される（図面では、水平軸上のほぼ５ｍ秒から始
まる）ことが認められるであろう。この信号の振幅は、
衝撃力を決定するために使用されることができる。信号
はまた、超音波バーストが後に供給されたときに連続し
た均一な応答特性を示す。図５は、第２の水平に配置さ
れた電極対21からの典型的な信号を対照的に示してい
る。これらの電極はツール4 に対して横断方向に配置さ
れているためにボンディングツール4 が表面に接触した
時点では感応せず、接触中にボンディング装置9 の屈曲
モーメントを検出しないため、この対からの出力信号は
非常に小さい信号しか示さないことが認められるであろ
う。しかしながら、第２の対21は超音波バーストに応答
してより強く明瞭な信号を供給するので、このセンサ対
は超音波バーストの振幅およびボンディング時間を測定
するために使用される。
【００１８】再び図２を参照すると、第１の電極対20か
らの出力は増幅器11a に供給され、その後超音波振動を
除去するためにローパス（たとえば、４ｋＨｚ）フィル
タ12に供給され、その後増幅器31によって増幅される。
上述したように、その後この信号は衝撃力を決定するた
めに使用される。他方において、第２の電極対21からの
信号は増幅器11b によって増幅され、その後ハイパスフ
ィルタ13、および随意に高調波フィルタ33に送られ、そ
の後増幅器34に送られる。この信号は、超音波振幅およ
びボンディング時間を測定するために使用される。
【００１９】別の電極構造が使用されてもよく、本発明
は図３に示されているものに制限されないことが理解さ
れるであろう。例えば、多数の電極が使用され、その後
出力信号を供給するように平均化されてもよい。電極は
また、環状圧電材料の周囲に事実上の円周アークセグメ
ントとして形成されてもよい。当業者は、多数の設計を
容易に理解するであろう。垂直方向に方位付けられた電
極が衝撃力を測定するために出力を供給するようにボン
ディングツール4 に平行な方位で配置され、一方ボンデ
ィングツール4 に対して横断方向である水平方向の方位
で配置された電極が超音波振幅およびボンディング時間
を決定するために使用されることが重要である。
【００２０】上記の好ましい実施形態において、２つの
電極対が同じ圧電材料片上に形成されている。しかしな
がら、その代わりに、圧電素子はそれぞれが各電極対を
支持している２つの片に分割されてもよいことが理解さ
れるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態によるセンサを含む超音波
ボンディング装置の部分的に分解して示された斜視図。
【図２】ボンディング装置およびそのシステムの別の素
子への接続を示す概略図。
【図３】センサの断面図。
【図４】センサの第１の出力の概略図。
【図５】センサの第２の出力の概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 501060541 ザ・ホンコン・ポリテクニック・ユニバ ーシティ Ｔｈｅ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ Ｐｏｌｙ ｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 香港、クーロン、フンホム（番地なし) (72)発明者 ライ・ワ・チャン−ウォン 香港、コンディット・ロード 30、フロ ーリッシュ・コート、17ビー (72)発明者 シュ・サン・チュ 香港、クーロン、ホマンティン・エステ ート、ブロック ５、ルーム1625 (72)発明者 シュ・ウィン・オー 香港、クーロン、ワンポア・ガーデン、 パーム・マンションズ、ブロック １、 13ディー (72)発明者 ユ・ミン・チュン 香港、クーロン、メイ・フォー・スン・ チェン、ブロードウェイ 103、10エー (56)参考文献 特開 平９−148359（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−105413（ＪＰ，Ｂ２) 特許2708222（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許3794236（ＵＳ，Ａ) 米国特許5607096（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 5/00 H01L 21/60 301 H01L 21/607

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波ボンディング動作時のボンディン
    グパラメータを測定するセンサにおいて、 超音波ボンディング装置の超音波トランスデューサに隣
    接して配置された圧電材料の部材を含み、第１のボンデ
    ィングパラメータである衝撃力を感知する第１の出力
    と、第２のボンディングパラメータである超音波振幅お
    よびボンディング時間を感知する第２の出力とを有して
    おり、 前記第１の出力は与えられる衝撃力の方向に平行な方向
    に方位付けされた第１の１対の電極を具備し、前記第２
    の出力は与えられる衝撃力の方向に対して横断方向に方
    位付けられた第２の１対の電極を具備し ていることを特
    徴とするボンディングパラメータを測定するセンサ。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２の１対の電極は圧電
    材料の単一の部材片に設けられている請求項１記載のセ
    ンサ。
  3. 【請求項３】 前記圧電材料の部材片はほぼ環状の形状
    を有しており、前記電極は前記圧電材料の円周方向に規
    則的な間隔で配置されている請求項２記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記電極は９０°の間隔で配置されてい
    る請求項３記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記第１および第２の出力の各電極対か
    ら出力された信号を処理する信号処理手段をさらに含ん
    でおり、前記信号処理手段は２つの信号を分離する手段
    を含んでいる請求項１記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記信号処理手段は、第１の信号出力の
    電極対から出力された信号のためのローパスフィルタを
    含んでいる請求項５記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記信号処理手段は、第２の信号出力か
    ら出力された信号のためのハイパスフィルタおよび高調
    波フィルタ手段を含んでいる請求項６記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 前記信号処理手段は信号増幅手段を含ん
    でいる請求項６記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 超音波トランスデューサと超音波コンセ
    ントレータとを備えている超音波ボンディング装置にお
    いて、 トランスデューサに隣接して配置された圧電材料の部材
    を含むセンサを備え、前記センサが第１のボンディング
    パラメータである衝撃力を感知する第１の出力と、第２
    のボンディングパラメータである超音波振幅およびボン
    ディング時間を感知する第２の出力とを有しており、 前記第１の出力は与えられる衝撃力の方向に平行な方向
    に方位付けされた第１の１対の電極を具備し、前記第２
    の出力は与えられる衝撃力の方向に対して横断方向に方
    位付けられた第２の１対の電極を具備し ていることを特
    徴とする超音波ボンディング装置。
  10. 【請求項１０】 前記第１および第２の１対の電極は圧
    電材料の単一の部材に設けられている請求項９記載のセ
    ンサ。
  11. 【請求項１１】 前記圧電材料の部材はほぼ環状の形状
    であり、前記電極は前記環状の圧電材料の部材の円周方
    向にまわりに規則的な間隔で配置されている請求項９記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記電極は９０°の間隔で配置されて
    いる請求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 第１および第２の出力の各電極対から
    出力された信号を処理する信号処理手段をさらに含んで
    おり、前記信号処理手段は２つの信号を分離する手段を
    含んでいる請求項１０記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記信号処理手段は、第１の信号出力
    の電極対から出力された信号のためのローパスフィルタ
    を含んでいる請求項１３記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記信号処理手段は、第２の信号出力
    の電極対から出力された信号のためのハイパスフィルタ
    および高調波フィルタ手段を含んでいる請求項１３記載
    の装置。
  16. 【請求項１６】 前記信号処理手段は信号増幅手段を含
    んでいる請求項１３記載の装置。
  17. 【請求項１７】 所望のボンディングパラメータを記憶
    する手段と、前記測定されたパラメータを前記所望のパ
    ラメータと比較してフィードバック制御信号を発生する
    手段とを備えている計算手段をさらに具備している請求
    項１０記載の装置。
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